Детектори за оптични лъчения
Детекторите се различават по своята чувствителност, линейност, спектрална зона на реакция, време за реакция и цена. В идеалния случай всеки детектор трябва да има висока чувствителност и да реагира линейно на мощността на падащия върху него радиационен поток. Освен това, той трябва да бъде еднакво чувствителен към всички честоти от спектъра и да реагира бързо на промените в нивото на падащото лъчение. Характеристиките на основните типове приемници на електромагнитно излъчване са дадени в таблица. 2.
Човешкото око също е включено в броя на детекторите. Въпреки че човешкото око принадлежи към неселективните детектори, то често се използва за сравнително прости качествени определяния (например със стилоскоп).
Въпреки това, практически всички ранни наблюдения на много важни спектроскопични явления са направени с помощта на човешкото око като детектор. Пример е откритието на Фраунхофер за тъмни линии в слънчевия спектър, чието наблюдение по-късно доведе до съвременния аналитичен метод, атомно-абсорбционна спектрометрия.
Детектори като фотоумножителя и вакуумната фотоклетка са отлични приемници на оптично лъчение. Те се използват широко в много спектрални инструменти. Принципът на действие на вакуумната фотоклетка и фотоумножителната тръба (ФЕУ) се основава на явлението фотоелектронна емисия. Фотоелектронно излъчване (външен фотоелектричен ефект) е излъчването на електрони от твърди тела или течности под въздействието на електромагнитно излъчване във вакуум или друга среда. От практическо значение е фотоелектронното излъчване от твърди тела във вакуум, което е открито през 1887 г. от Херц.
По-долу са основните закони на фотоелектричния ефект: 1) Броят на излъчените електрони (стойностфототок) е пропорционален на интензитета на падащото лъчение. 2) За всяко вещество с определено състояние на повърхността му, което определя неговата работа на изход, съществува дълговълнова граница на фотоелектричния ефект λ0, извън която (за λ> λ0) фотоелектричният ефект не се наблюдава. Дълговълновата граница λ0 съответства на праговата фотонна енергия hν0 (hν0 =c/λ0). Стойността hν0 се нарича работа на електрона. 3) Максималната кинетична енергия на фотоелектронитеEeнараства линейно с честотата ν на падащото лъчение и не зависи от неговия интензитет:Ee = hν - hν0. За приложението на фотоелектронната емисия в приемниците от първостепенно значение са първите два закона. Първият закон установява линейността на фототока и интензитета на падащото лъчение. Тъй като интензитетът на спектралната линия е линейно свързан с концентрацията на излъчващите частици, аналитичният сигнал - фототок също ще бъде линейно свързан с концентрацията. Вторият закон определя материала, който може да служи като фотокатод. Очевидно е, че за покриване на целия оптичен диапазон е необходимо да се използва метал, който има минимална работа на електрона. По-долу са дадени стойности наhν0(в eV) за някои елементи:
Вижда се, че ниските стойности на работата на електрона са характерни
се използват за алкални метали и преди всичко за цезий. Следователно фотокатодите за всички фотоелементи и фотоумножители, работещи в оптичната област, са направени от цезий, в който се въвеждат специални добавки (Sb, As, O, Ag и др.), За да се увеличи квантовият добив (броят на фотоелектроните, излъчени при поглъщане на един квант) и да се разшири спектралната област на приемника.
Във вакуумна фотоклетка (фиг. 19) радиацията прониква през прозрачен прозорец и пада върху фоточувствителна повърхност(фотокатод). Избитите в резултат на това електрони (фотоелектрони) се насочват във вакуум към положително зареден анод и във веригата се появява ток. Стойността на фототока показва броя на избитите фотоелектрони и е пропорционална на мощността на падащото лъчение.
Фотоумножителната тръба (ФЕУ) е електронно устройство, в което токът, генериран от облъчване на фотокатод, се усилва от
вторична електронна емисия. Състои се от фотокатод, който излъчва поток от електрони под действието на оптично лъчение, динодна умножителна система, която осигурява размножаване на електрони в резултат на вторична електронна емисия, и анод - колектор на вторични електрони (фиг. 20).
Фотоелектронът, изваден от фотокатода, се изпраща към първия динод, напрежението върху което е по-положително (приблизително 100 V). Динодите са покрити с материал, който излъчва вторични електрони под въздействието на електронен удар (ефект на вторична емисия на електрони). Когато фотоелектрон (който е силно ускорен от положителното напрежение) удари повърхността на динода, няколко вторични електрона (от 1 до 6) се избиват от динода. След това тези електрони се втурват към втория, третия, четвъртия динод и т.н., напрежението на всеки от които е съответно по-положително, отколкото на предишния динод, всеки от които освобождава няколко вторични електрона на падащ електрон. Така един фотоелектрон, избит от фотокатода, може да произведе лавина от 105–108 електрона на анода. Фотоумножителят е много по-чувствителен от конвенционалната фотоклетка и дава възможност при специални условия (силно охлаждане за пълно потискане на термоелектронната емисия) да се открие появата дори на един фотон на фотокатода. всичкоПолупроводниковите радиационни детектори, по-специално фотодиодите, намират по-голямо приложение в оптичните спектрометри. Принципът на тяхното действие е, че облъчването на преходаp-n, към който се прилага блокиращото напрежение, води до образуване на носители на заряд. В резултат на това съпротивлението на преходния слой намалява, което води до протичане на ток във веригата. Най-широко приложение намират Ge и Si фотодиодите, както и фотодиодите на базата на полупроводникови съединения InAs, CdSe, InSb и др.
4.3.2. Детектори с пространствена разделителна способност
До края на миналия век фотографските емулсии бяха широко използвани за запис на спектри в ултравиолетовата и видимата област на спектъра. Тъй като емулсията обикновено се фиксира върху стъкло или плоча,
тогава всъщност детекторът е фотографска плака или филм.
Емулсията съдържа сребърни халиди - AgBr или AgCl. Когато спектърът се проектира върху фотографска плака, поради протичане на реакция на фотохимично разлагане, на повърхността на халогенните кристали се появяват сребърни атоми, чийто брой е пропорционален на времето на осветяване и експозиция. Резултатът е така нареченото латентно изображение. След това плаката се поставя в проявяващ разтвор, съдържащ редуциращ агент като хидрохинон. Хидрохинонът редуцира сребърните халиди до метално сребро. Тази реакция протича с най-висока скорост в тези области на емулсията, които са били подложени на по-силно облъчване, тъй като сребърните атоми, образувани по време на облъчването, са ефективни катализатори. След това изображението се „фиксира“ чрез третиране на емулсията с разтвор на натриев тиосулфат за отстраняване на останалия сребърен халид (тиосулфатният йон образува силни водоразтворими комплекси с Ag+ йони). В крайна сметкаполучавате така наречения негатив, в който изображението на спектралната линия е тъмна ивица върху повърхността на филма или стъклената плоча. Както беше отбелязано по-рано, използването на фотографска емулсия предлага предимства както за откриване на участък от дължини на вълните, така и за едновременно много добра разделителна способност на малки интервали от спектъра в този участък. В допълнение, фотографската емулсия директно интегрира радиацията, падаща върху нея, т.е. относително слаби нива на радиация могат да бъдат открити, ако се използва много по-дълго време на експозиция. Спектър, взет върху емулсия, може да се съхранява дълго време, ако се вземат подходящи предпазни мерки. Тези предимства пред селективните детектори правят възможно използването на емулсии за наблюдение и запис на всеки спектър. Откриването на фотографския спектър има няколко нежелани характеристики. Първо, тъй като експонирането, проявяването, фиксирането и изсушаването на фотографска емулсия е дълъг процес, времето, необходимо за получаване на спектър, е доста значително - обикновено от няколко минути до няколко часа. Сравнете това дълго време с относително бързите времена за реакция на селективните детектори,
дадени в табл. 2. Второ, дори след фотографски
обработката е завършена, спектралната информация присъства в емулсията
те трябва да бъдат преобразувани в пропорционален електрически сигнал,
често чрез трудоемка операция, изискваща използването на микро-
фотометър. Трето, фотографското откриване е очевидно нелинейно по отношение на интегралната мощност на излъчване. Следователно е необходимо да се калибрира всяка отделна емулсия по отношение на спектралната чувствителност към радиация,ако искате да получите количествени резултати. Четвърто, съхранението на фотографска емулсия върху филми и плаки е ограничено във времето преди и след експонирането. Следователно е необходимо или периодично повторно калибриране на тяхната чувствителност, или незабавно изследване на проявените филми или плаки с помощта на микрофотометър. В това отношение фотографската емулсия не се използва толкова често в съвременните спектрални инструменти, с изключение на случаите, когато директното интегриране и запис на непрекъснати спектри става важно.
CDC устройства
От края на 20-ти век настъпват революционни промени в дизайна на инструментите за оптична спектроскопия. На първо място, дифракционните решетки станаха много по-евтини и техните характеристики се подобриха. Поради тази причина призмите практически не се използват като диспергиращи устройства в съвременните спектрометри. Бързото развитие на полупроводниковата технология и компютърната технология направи търговски достъпни устройства със зарядна връзка (CCD) - полупроводникови детектори на оптично излъчване, които са
Те са двуизмерни матрици, състоящи се от фоточувствителни полупроводниковиp-nпреходи (пиксели), изолирани един от друг с размери около ≤10 µm. Под въздействието на електромагнитно излъчване има промяна в електрическия заряд при преходаp-n,пропорционално на интензитета на светлинния поток и времето на експозиция. Четенето на информация от матрицата се извършва от компютър. (Подобни конвертори в момента се използват за изображения в цифрови фотоапарати и фотоапарати). Към днешна дата проблемът с ниската чувствителност на тези устройства в UV областта на спектъра е успешно решен. Произвежда се от редица фирми PSZ сзадно осветяване и PSZ с виртуална фаза имат отлични характеристики в диапазона 180 – 1000nm, което прави възможно създаването на спектрометри, състоящи се от полихроматор и PSZ линия за запис на спектри не само в целия оптичен диапазон, но и във вакуумната UV област. Подробна информация за принципа на работа и конструкцията на PSZ можете да намеритетук.